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杂凑函数MD5


贵州大学实验报告
学院:计算机科学与技术学院 姓名 实验时间 实验项目名称 实 验 目 的 2014-12-5 专业:信息安全 学号 指导教师 李秦伟 班级: 实验组 成绩

杂凑函数 MD5

1、掌握 MD5 算法的工作原理。 2、了解字典攻击的工作原理。

实 验 基 本 方 法

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、编写一个 MD5 算法,编程语言任选; 2、编程实现对一个字符串计算其 MD5 杂凑值; 3、编程实现对一个文件计算其 MD5 杂凑值; 4、编程实现完成 RSA 数字签名和签名验证实验。 5、编程实现利用字典攻击的 MD5 反算法。 (自习设计算法) 说明: 1、MD5 算法可以自编,也可以网上下载现成算法,参见学校教学平台本课 程的参考程序。 2、RSA 算法参见学校教学平台本课程的参考程序。 1、 编写一个 MD5 算法。 2、 编程实现对一个字符串计算其 MD5 杂凑值。 3、 对一个字符串计算并记录其杂凑值, 改变 1 位明文信息观察并记录 MD5 的输出。 重复 3 次。

实 验 步 骤

4、 对一个文件计算并记录其杂凑值, 改变 1 位明文信息观察并记录 MD5 的输出。 5、 编程实现完成 RSA 数字签名和签名验证实验。用 RSA 私钥加密文件 的杂凑值实现 签名,更改文件中的单个字符,重复 4、5 步骤 3 次,观察 签字的变化。 6、 *编程实现利用字典攻击的 MD5 反算法。 7、 *假设字符串是全数字的 4 位口令,利用上面程序破解口令。 8、 *对同一段字符,改变其中的描述,内容不变(例如:空格的多少、改变
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标点的全 角半角等)观察签名后的结果。

1、 MD5 算法为网上下载的算法 实验代码: //md5.h #ifndef MD5_H #define MD5_H #include <string> #include <fstream> /* Type define */ typedef unsigned char byte; typedef unsigned int uint32; using std::string; using std::ifstream; 实 验 结 果 /* MD5 declaration. */ class MD5 { public: MD5(); MD5(const void* input, size_t length); MD5(const string& str); MD5(ifstream& in); void update(const void* input, size_t length); void update(const string& str); void update(ifstream& in); const byte* digest(); string toString(); void reset(); private: void void void void

update(const byte* input, size_t length); final(); transform(const byte block[64]); encode(const uint32* input, byte* output, size_t length);
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void decode(const byte* input, uint32* output, size_t length); string bytesToHexString(const byte* input, size_t length); /* class uncopyable */ MD5(const MD5&); MD5& operator=(const MD5&); private: uint32 _state[4]; uint32 _count[2]; */ byte _buffer[64]; byte _digest[16]; bool _finished;

/* state (ABCD) */ /* number of bits, modulo 2^64 (low-order word first) /* input buffer */ /* message digest */ /* calculate finished ? */

static const byte PADDING[64]; /* padding for calculate */ static const char HEX[16]; enum { BUFFER_SIZE = 1024 }; }; #endif /*MD5_H*/ //md5.cpp
#include "md5.h" using namespace std; /* Constants for MD5Transform routine. */ #define S11 7 #define S12 12 #define S13 17 #define S14 22 #define S21 5 #define S22 9 #define S23 14 #define S24 20 #define S31 4 #define S32 11 #define S33 16 #define S34 23 #define S41 6 #define S42 10 #define S43 15 #define S44 21

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/* F, G, H and I are basic MD5 functions. */ #define F(x, y, z) (((x) & (y)) | ((~x) & (z))) #define G(x, y, z) (((x) & (z)) | ((y) & (~z))) #define H(x, y, z) ((x) ^ (y) ^ (z)) #define I(x, y, z) ((y) ^ ((x) | (~z))) /* ROTATE_LEFT rotates x left n bits. */ #define ROTATE_LEFT(x, n) (((x) << (n)) | ((x) >> (32-(n)))) /* FF, GG, HH, and II transformations for rounds 1, 2, 3, and 4. Rotation is separate from addition to prevent recomputation. */ #define FF(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += F ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ } #define GG(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += G ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ } #define HH(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += H ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ } #define II(a, b, c, d, x, s, ac) { \ (a) += I ((b), (c), (d)) + (x) + ac; \ (a) = ROTATE_LEFT ((a), (s)); \ (a) += (b); \ }

const byte MD5::PADDING[64] = { 0x80 }; const char MD5::HEX[16] = { '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f' };

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/* Default construct. */ MD5::MD5() { reset(); } /* Construct a MD5 object with a input buffer. */ MD5::MD5(const void* input, size_t length) { reset(); update(input, length); } /* Construct a MD5 object with a string. */ MD5::MD5(const string& str) { reset(); update(str); } /* Construct a MD5 object with a file. */ MD5::MD5(ifstream& in) { reset(); update(in); } /* Return the message-digest */ const byte* MD5::digest() { if (!_finished) { _finished = true; final(); } return _digest; } /* Reset the calculate state */ void MD5::reset() { _finished = false; /* reset number of bits. */ _count[0] = _count[1] = 0; /* Load magic initialization constants. */ _state[0] = 0x67452301; _state[1] = 0xefcdab89;

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_state[2] = 0x98badcfe; _state[3] = 0x10325476; } /* Updating the context with a input buffer. */ void MD5::update(const void* input, size_t length) { update((const byte*)input, length); } /* Updating the context with a string. */ void MD5::update(const string& str) { update((const byte*)str.c_str(), str.length()); } /* Updating the context with a file. */ void MD5::update(ifstream& in) { if (!in) { return; } std::streamsize length; char buffer[BUFFER_SIZE]; while (!in.eof()) { in.read(buffer, BUFFER_SIZE); length = in.gcount(); if (length > 0) { update(buffer, length); } } in.close(); } /* MD5 block update operation. Continues an MD5 message-digest operation, processing another message block, and updating the context. */ void MD5::update(const byte* input, size_t length) { uint32 i, index, partLen; _finished = false; /* Compute number of bytes mod 64 */

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index = (uint32)((_count[0] >> 3) & 0x3f); /* update number of bits */ if ((_count[0] += ((uint32)length << 3)) < ((uint32)length << 3)) { ++_count[1]; } _count[1] += ((uint32)length >> 29); partLen = 64 - index; /* transform as many times as possible. */ if (length >= partLen) { memcpy(&_buffer[index], input, partLen); transform(_buffer); for (i = partLen; i + 63 < length; i += 64) { transform(&input[i]); } index = 0; } else { i = 0; } /* Buffer remaining input */ memcpy(&_buffer[index], &input[i], length - i); } /* MD5 finalization. Ends an MD5 message-_digest operation, writing the the message _digest and zeroizing the context. */ void MD5::final() { byte bits[8]; uint32 oldState[4]; uint32 oldCount[2]; uint32 index, padLen; /* Save current state and count. */ memcpy(oldState, _state, 16); memcpy(oldCount, _count, 8); /* Save number of bits */

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encode(_count, bits, 8); /* Pad out to 56 mod 64. */ index = (uint32)((_count[0] >> 3) & 0x3f); padLen = (index < 56) ? (56 - index) : (120 - index); update(PADDING, padLen); /* Append length (before padding) */ update(bits, 8); /* Store state in digest */ encode(_state, _digest, 16); /* Restore current state and count. */ memcpy(_state, oldState, 16); memcpy(_count, oldCount, 8); } /* MD5 basic transformation. Transforms _state based on block. */ void MD5::transform(const byte block[64]) { uint32 a = _state[0], b = _state[1], c = _state[2], d = _state[3], x[16]; decode(block, x, 64); /* Round 1 */ FF (a, b, c, d, x[ 0], S11, 0xd76aa478); /* 1 */ FF (d, a, b, c, x[ 1], S12, 0xe8c7b756); /* 2 */ FF (c, d, a, b, x[ 2], S13, 0x242070db); /* 3 */ FF (b, c, d, a, x[ 3], S14, 0xc1bdceee); /* 4 */ FF (a, b, c, d, x[ 4], S11, 0xf57c0faf); /* 5 */ FF (d, a, b, c, x[ 5], S12, 0x4787c62a); /* 6 */ FF (c, d, a, b, x[ 6], S13, 0xa8304613); /* 7 */ FF (b, c, d, a, x[ 7], S14, 0xfd469501); /* 8 */ FF (a, b, c, d, x[ 8], S11, 0x698098d8); /* 9 */ FF (d, a, b, c, x[ 9], S12, 0x8b44f7af); /* 10 */ FF (c, d, a, b, x[10], S13, 0xffff5bb1); /* 11 */ FF (b, c, d, a, x[11], S14, 0x895cd7be); /* 12 */ FF (a, b, c, d, x[12], S11, 0x6b901122); /* 13 */ FF (d, a, b, c, x[13], S12, 0xfd987193); /* 14 */ FF (c, d, a, b, x[14], S13, 0xa679438e); /* 15 */ FF (b, c, d, a, x[15], S14, 0x49b40821); /* 16 */ /* Round 2 */

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GG (a, b, c, d, x[ 1], S21, 0xf61e2562); /* 17 */ GG (d, a, b, c, x[ 6], S22, 0xc040b340); /* 18 */ GG (c, d, a, b, x[11], S23, 0x265e5a51); /* 19 */ GG (b, c, d, a, x[ 0], S24, 0xe9b6c7aa); /* 20 */ GG (a, b, c, d, x[ 5], S21, 0xd62f105d); /* 21 */ GG (d, a, b, c, x[10], S22, 0x2441453); /* 22 */ GG (c, d, a, b, x[15], S23, 0xd8a1e681); /* 23 */ GG (b, c, d, a, x[ 4], S24, 0xe7d3fbc8); /* 24 */ GG (a, b, c, d, x[ 9], S21, 0x21e1cde6); /* 25 */ GG (d, a, b, c, x[14], S22, 0xc33707d6); /* 26 */ GG (c, d, a, b, x[ 3], S23, 0xf4d50d87); /* 27 */ GG (b, c, d, a, x[ 8], S24, 0x455a14ed); /* 28 */ GG (a, b, c, d, x[13], S21, 0xa9e3e905); /* 29 */ GG (d, a, b, c, x[ 2], S22, 0xfcefa3f8); /* 30 */ GG (c, d, a, b, x[ 7], S23, 0x676f02d9); /* 31 */ GG (b, c, d, a, x[12], S24, 0x8d2a4c8a); /* 32 */ /* Round 3 */ HH (a, b, c, d, x[ 5], S31, 0xfffa3942); /* 33 */ HH (d, a, b, c, x[ 8], S32, 0x8771f681); /* 34 */ HH (c, d, a, b, x[11], S33, 0x6d9d6122); /* 35 */ HH (b, c, d, a, x[14], S34, 0xfde5380c); /* 36 */ HH (a, b, c, d, x[ 1], S31, 0xa4beea44); /* 37 */ HH (d, a, b, c, x[ 4], S32, 0x4bdecfa9); /* 38 */ HH (c, d, a, b, x[ 7], S33, 0xf6bb4b60); /* 39 */ HH (b, c, d, a, x[10], S34, 0xbebfbc70); /* 40 */ HH (a, b, c, d, x[13], S31, 0x289b7ec6); /* 41 */ HH (d, a, b, c, x[ 0], S32, 0xeaa127fa); /* 42 */ HH (c, d, a, b, x[ 3], S33, 0xd4ef3085); /* 43 */ HH (b, c, d, a, x[ 6], S34, 0x4881d05); /* 44 */ HH (a, b, c, d, x[ 9], S31, 0xd9d4d039); /* 45 */ HH (d, a, b, c, x[12], S32, 0xe6db99e5); /* 46 */ HH (c, d, a, b, x[15], S33, 0x1fa27cf8); /* 47 */ HH (b, c, d, a, x[ 2], S34, 0xc4ac5665); /* 48 */ /* Round 4 */ II (a, b, c, d, x[ 0], S41, 0xf4292244); /* 49 */ II (d, a, b, c, x[ 7], S42, 0x432aff97); /* 50 */ II (c, d, a, b, x[14], S43, 0xab9423a7); /* 51 */ II (b, c, d, a, x[ 5], S44, 0xfc93a039); /* 52 */ II (a, b, c, d, x[12], S41, 0x655b59c3); /* 53 */ II (d, a, b, c, x[ 3], S42, 0x8f0ccc92); /* 54 */ II (c, d, a, b, x[10], S43, 0xffeff47d); /* 55 */ II (b, c, d, a, x[ 1], S44, 0x85845dd1); /* 56 */

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II (a, b, c, d, x[ 8], S41, 0x6fa87e4f); /* 57 */ II (d, a, b, c, x[15], S42, 0xfe2ce6e0); /* 58 */ II (c, d, a, b, x[ 6], S43, 0xa3014314); /* 59 */ II (b, c, d, a, x[13], S44, 0x4e0811a1); /* 60 */ II (a, b, c, d, x[ 4], S41, 0xf7537e82); /* 61 */ II (d, a, b, c, x[11], S42, 0xbd3af235); /* 62 */ II (c, d, a, b, x[ 2], S43, 0x2ad7d2bb); /* 63 */ II (b, c, d, a, x[ 9], S44, 0xeb86d391); /* 64 */ _state[0] += a; _state[1] += b; _state[2] += c; _state[3] += d; } /* Encodes input (ulong) into output (byte). Assumes length is a multiple of 4. */ void MD5::encode(const uint32* input, byte* output, size_t length) { for (size_t i = 0, j = 0; j < length; ++i, j += 4) { output[j]= (byte)(input[i] & 0xff); output[j + 1] = (byte)((input[i] >> 8) & 0xff); output[j + 2] = (byte)((input[i] >> 16) & 0xff); output[j + 3] = (byte)((input[i] >> 24) & 0xff); } } /* Decodes input (byte) into output (ulong). Assumes length is a multiple of 4. */ void MD5::decode(const byte* input, uint32* output, size_t length) { for (size_t i = 0, j = 0; j < length; ++i, j += 4) { output[i] = ((uint32)input[j]) | (((uint32)input[j + 1]) << 8) | (((uint32)input[j + 2]) << 16) | (((uint32)input[j + 3]) << 24); } } /* Convert byte array to hex string. */ string MD5::bytesToHexString(const byte* input, size_t length) { string str; str.reserve(length << 1);

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for (size_t i = 0; i < length; ++i) { int t = input[i]; int a = t / 16; int b = t % 16; str.append(1, HEX[a]); str.append(1, HEX[b]); } return str; } /* Convert digest to string value */ string MD5::toString() { return bytesToHexString(digest(), 16); }

//1.cpp(实验主程序)
#include "md5.h" #include <iostream> using namespace std; void PrintMD5(const string& str, MD5& md5) { cout << "MD5(\"" << str << "\") = " << md5.toString() << endl; } string FileDigest(const string& file) { ifstream in(file.c_str(), ios::binary); if (!in) { return ""; } MD5 md5; std::streamsize length; char buffer[1024]; while (!in.eof()) { in.read(buffer, 1024); length = in.gcount(); if (length > 0) { md5.update(buffer, length); } } in.close(); return md5.toString(); }

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int main() { //cout << MD5("abc").toString() << endl; //cout << MD5(ifstream("D:\\test.txt")).toString() << endl; //cout << MD5(ifstream("D:\\test.exe", ios::binary)).toString() << endl; //cout << FileDigest("D:\\test.exe") << endl; MD5 md5; md5.update("abcd"); PrintMD5("abcd", md5); md5.reset(); md5.update("abhd"); PrintMD5("abhd", md5); md5.reset(); md5.update("abhd"); PrintMD5("abhd", md5); md5.reset(); md5.update("abhd"); PrintMD5("abhd", md5); md5.reset(); md5.update(ifstream("D:\\test.txt")); PrintMD5("D:\\test.txt", md5); md5.reset(); md5.update(ifstream("D:\\test.txt")); PrintMD5("D:\\test.txt", md5); return 0; }

实验结果: 改变之前文档内容:

改变之后文档内容:

实验结果:

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结果分析: 1、 第一行为 MD5 对 abcd 加密所得的杂凑值。 2、 第二、三、四行为改变明文后 MD5 加密的杂凑值。从结果可知,同一明文的 MD5 杂凑值相同,改变一位明文,对 MD5 杂凑值得影响很大 3、 第五、六行为 MD5 对文件加密的杂凑值。改变一位明文同样大幅度影响杂凑值。 指 导 教 师 意 见 签名: 年 月 日

注:各学院可根据教学需要对以上栏木进行增减。表格内容可根据内容扩充。

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